Technische Keramik hat mehr Potenzial als Kunststoff und Metall

Technische Keramik – von einem Irrtum zum anderen

| Redakteur: Luca Meister

Ob in Windkraftanlagen, Hausgeräten oder Fahrzeugen – Produkte aus Technischer Keramik können Konstrukteuren und Entwicklern aus unterschiedlichen Bereichen begegnen.
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Ob in Windkraftanlagen, Hausgeräten oder Fahrzeugen – Produkte aus Technischer Keramik können Konstrukteuren und Entwicklern aus unterschiedlichen Bereichen begegnen. (Bild: Sembach)

>> Technische Keramik könnte Metall und Kunststoff als Werkstoff für hochtechnologische Bauteile in vielen Anwendungsfällen ersetzen. Doch einige Konstrukteure und Entwickler haben immer noch Vorurteile gegenüber dem leistungsfähigen Material, das u. a. über hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit verfügt und dank moderner Verfahren wie Spritzguss- und Hybridtechnologie wirtschaftlich verarbeitet werden kann. Das Unternehmen Sembach Technical Ceramics macht das Potenzial Technischer Keramik sichtbar.

mei. Ob als Wälzlager für Windkraftanlagen, als Reglergehäuse in Hausgeräten, als piezokeramische Sensorelemente oder als Isolationsbauteil in der Lambdasonde eines Fahrzeugs – Produkte aus Technischer Keramik können Konstrukteuren und Entwicklern aus unterschiedlichen Bereichen begegnen. Wo andere Materialien in anspruchsvollen technischen Lösungen oft an ihre Grenzen stossen, ist die Technische Keramik der ideale Werkstoff. Mit ihren günstigen Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Formstabilität, geringem Verschleiss und guter elektrischer Isolierfähigkeit ist sie weitaus häufiger prädestiniert als Ersatz für Metall und Kunststoff als vielen bekannt ist. Dank weiterentwickelter Formgebungsverfahren wie z. B. dem Keramischen Spritzguss können inzwischen auch komplexe Geometrien realisiert werden. Neben konstruktiven Vorteilen bietet dieses Verfahren in der Serienfertigung auch wirtschaftlichen Nutzen.

Gerade aus Kostengründen wurde Keramik als Material für technische Komponenten bisher wenig in Betracht gezogen. Das liegt vorwiegend daran, dass über die Anwendungsmöglichkeiten des Werkstoffs bei Konstrukteuren und Entwicklern unterschiedliches Wissen vorhanden ist und zahlreiche Vorurteile über die Keramik verbreitet sind. «Technische Keramik ist teuer und bricht – mit diesem Vorurteil haben wir immer wieder zu kämpfen», erklärt Benjamin Kaluza aus dem technischen Vertrieb der Sembach GmbH & Co. KG. Das Unternehmen zählt sich zu den führenden deutschen Herstellern Technischer Keramik.

Man muss die Technische Keramik differenzierter beurteilen. Es kommt immer auf die spezifische Form und den jeweiligen Anwendungsfall an. Im Folgenden sollen Missverständnisse über den Hochleistungswerkstoff ausgeräumt und seine Eigenschaften klarer herausgestellt werden.

Irrtum 1: Keramik bricht leicht

Biege-, Druckfestigkeit und der kritische Spannungsintensitätsfaktor sind die wichtigsten Grössen, welche die Festigkeit von Keramik beschreiben. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor («K1c») gibt an, wie hoch die Spannung eines Materials sein darf, bevor kritisches Risswachstum erzeugt wird. Diese Materialkonstante ist demnach ein Mass für die Spannung, welche die Keramik noch aushält, bevor Sprödbruch eintritt. Bei Aluminiumtitanat liegt der K1c-Wert z. B. bei 1 MPa √m und bei der mit Yttriumoxid stabilisierten Variante von Zirkoniumoxid bei 8 MPa √m. Vereinfacht lässt sich festhalten, dass Werkstoffe mit hohem K1c-Wert der sog. «Rissfortpflanzung» einen hohen Widerstand entgegensetzen.

Die Biegefestigkeit ist ein Wert für die Spannung in einem auf Biegung beanspruchten, aufwendig präparierten Probestab, bei dessen Überschreiten Bruch eintritt. Somit ist die Biegefestigkeit eine Materialkenngrösse, die der Abschätzung der Festigkeit und der Dimensionierung von keramischen Werkstoffen dient. Die Biegefestigkeit von Aluminiumoxid, einem häufig eingesetzten keramischen Werkstoff, beträgt bis zu 580 MPa bei einer Temperatur von 25 °C; die von Zirkoniumoxid liegt sogar bei 1000 MPa. Im Vergleich dazu: Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK) hat eine Biegefestigkeit von maximal 170 MPa und handelsüblicher Baustahl (S235JR) von 180 MPa.

Ein weiterer Aspekt: Die Druckfestigkeit von Keramik beträgt das Fünf- bis Zehnfache der Biegefestigkeit. Deshalb sollte Keramik vorzugsweise auf Druck belastet werden. «Die Technische Keramik zeichnet sich insgesamt also durch sehr gute Festigkeit aus», resümiert B. Kaluza.

Irrtum 2: Technische Komponenten aus Keramik sind teurer

Zur Herstellung von Technischer Keramik sind wesentlich mehr Prozessschritte notwendig, die grundsätzlich zu einem höheren Stückpreis führen können als vergleichbare Bauteile aus Kunststoff oder Metall. B. Kaluza erklärt: «Für die Herstellung eines Produkts aus Keramik ist der initiale Aufwand zwar etwas höher, doch im Produktionsprozess zeigt sich, dass der integrale Aufwand häufig absolut vergleichbar ist.» Betrachtet man also das gesamte Preis-Leistungs-Verhältnis, so liegen die Kostenvorteile bei der Technischen Keramik in den spezifischen Materialeigenschaften. Bauteile aus Keramik sind nicht nur leistungsfähiger, sondern auch beständiger und damit von höherer Lebensdauer. Die Ausfallrate z. B. an Maschinen ist mit Keramikkomponenten geringer und die Wartungsarbeiten reduzieren sich ebenso. «Um die positiven wirtschaftlichen Auswirkungen bereits im Produktionsprozess herauszustellen, bringt sich das Unternehmen Sembach möglichst früh im Entwicklungsprozess eines Bauteils ein», beschreibt B. Kaluza das Vorgehen.

Irrtum 3: Es können nur einfache Geometrien gefertigt werden

Vor einigen Jahrzehnten wurden Bauteile aus Technischer Keramik z. B. im Schlickergussverfahren, ein spezielles Gipsform-Gussverfahren zum Giessen von weiter verarbeitbaren Rohlingen oder Gusskörpern mit Endkontur, hergestellt. Die keramischen Formgebungsverfahren wurden seitdem wesentlich weiterentwickelt. Das Trockenpressen für Teile mit hoher Massgenauigkeit und hoher Stückzahl wird heutzutage genauso angewendet wie die Extrusion für Profilteile wie Achsen oder verschiedenste Rohrgeometrien.

Der Keramische Spritzguss («Ceramic Injection Moulding» – CIM) bietet die grössten Freiheiten hinsichtlich der geometrischen Gestaltung der Bauteile und grosse Flexibilität bei der Formgebung. Die Firma Sembach hat dieses Verfahren durch Automatisierung mit Robotern so entwickelt, dass auch Fertigungslose jenseits einer Million Stück zu bewältigen sind. «Wir haben unsere Verarbeitungsvarianten so erweitert, dass nahezu alle Anforderungen an Konstruktion und Produktion möglich sind», sagt Martin Sembach, Geschäftsführer von Sembach Technical Ceramics.

Mit dem Spritzgussverfahren können extrem kleine und speziell geformte Bauteile hergestellt werden wie z. B. eine 0,3 g schwere Halterung für die elektrischen Kontakte einer Steckverbindung im Automobil. Auch mit Hybridverfahren bietet die Technische Keramik die Formenvielfalt, die aus der Kunststofftechnik bekannt ist. Das zur Patentierung angemeldete Hybridverfahren von Sembach bietet Kombinationsmöglichkeiten von Keramik mit anderen Werkstoffen wie z. B. Kunststoff, leitfähigen Schichten, Glas usw.

Irrtum 4: Keramik ist temperaturempfindlich

Die negativen Erfahrungen mit Keramik unter Kälteeinwirkung im Alltag haben dazu geführt, dass dieses Vorurteil auf die Technische Keramik ausgeweitet wurde. «Eine Keramikfliese auf der Terrasse kann im Winter springen, da sich das eingedrungene Wasser beim Gefrieren ausdehnt. Von Sembach eingesetzte Technische Keramik ist nahezu porenfrei und komplett dicht gebrannt. Dieser Effekt ist also auf Steatit, Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid nicht übertragbar», widerlegt B. Kaluza.

Im Gegenteil: Keramische Werkstoffe sind für extrem hohe Einsatztemperaturen ausgelegt: Aluminiumoxid hält Temperaturen zwischen 1400 °C und 1700 °C stand. Stahl hingegen verträgt eine Einsatztemperatur von gerade maximal 1000 °C und Kunststoff von nur 300 °C.

Irrtum 5: Keramik ist gleich Keramik

«Grundsätzlich gibt es verschiedene Keramiken mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften für verschiedene Anwendungen – kein Werkstoff ist wie der andere», erläutert B. Kaluza. Z. B. werden in der Heiztechnik besonders die Eigenschaften Hitzebeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und thermische wie elektrische Isolation gefordert. Für derartige Anforderungen sind poröse oder dicht gesinterte Cordieritkeramiken bestens geeignet. Die ideale Keramik für sog. Brechröhrchen, die in Heizpatronen eingesetzt werden, ist Sondersteatit der Klasse «C230» nach IEC 60672. Sondersteatit wird bei niedriger Temperatur verglüht und verfügt deshalb über eine nahezu kreideartige Konsistenz. Damit ist dies ein Werkstoff, der leicht weiterverarbeitet werden kann und aus diesem Grund auch in Lambdasonden eingesetzt wird. Kommt es dagegen auf Abriebfestigkeit und hohe mechanische Anforderungen an, so wird eine besonders harte Keramik wie Zirkoniumoxid eingesetzt. Ein Anwendungsbeispiel für dieses Material ist das Sensorgehäuse eines Schichtdickenmessers in Geldautomaten, über das abrasive Geldscheine geführt werden.

Zukunftsfähige Alternative

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren Technischer Keramik hat es ermöglicht, Bauteile in nahezu jeder Form und mit jeder Eigenschaft realisieren zu können. Die Technische Keramik wird Anforderungen an Widerstandsfähigkeit und Lebensdauer im Vergleich zu anderen Materialien deutlich besser gerecht. Sie ist inzwischen nicht mehr nur aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Formstabilität und geringem Verschleiss für anspruchsvolle technische Anwendungen prädestiniert, sondern auch wegen ihrer Möglichkeiten hin-sichtlich Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz. <<

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